新型簡單振動起苗機裝置的研究＊

沙 恒

（山東華宇工學院，山東 德州 253000）

起苗機工作時是單側起苗，當土質較硬、苗木根系較深較大時，起苗機的工作部分扎入土地較深，產生的偏牽引現象會造成牽引拖拉機無法拉動，如果強行拉拽作業，或更換較大馬力機器拉拽，會造成起苗機架體結構變形或是傳動機構和牽引桿的損壞，造成較大的損失。如果想要連續不間斷作業，苗農的使用經驗是：在起苗機作業時，有一人站在架體的非工作部分（工作部分對面）不停上下晃動，這樣既起到了機器工作時機身的平衡作用，又可以使斷根刃不會扎土太深，減少斷根時的工作阻力，但是這種情況又大大增加了使用者的勞動強度。按照人機工程學的設計理念，釋放勞動力，減少操作者的勞動強度，提高設備作業效率，是進行本次研究的目的和意義。

1 國內外起苗機裝置研究與發展趨勢

1.1 國內發展趨勢

我國起苗機的機械化發展起步較晚，20世紀50年代初期，我國曾用無壁鏵犁起苗，依靠牲畜牽引，手工扶犁進行田間作業。1956年，我國研制了林業專用的起苗犁，60年代生產并使用了拖拉機懸掛式床作和壟作起苗機。20世紀70年代，研制出的懸掛式起苗機在進行了生產性試驗后得出結論，該機具具備了整體結構較為簡單、生產制造容易、性能優越、轉彎半徑較小、轉向靈活、一人可完成作業等特點，無論是苗木出圃的質量還是在工作效率和操作性能上，都有了較大的進步[1]。

20世紀80年代以后，林業機械在眾多科研院所的努力下，有了長足進步。從起苗機的起苗刀結構形狀、起苗刀的尺寸設計與優化、碎土裝置和機架的平穩性等方面進行了研發，研制出了不同性能、工作效果均有不同進步的起苗機械，但是絕大部分起苗機的研究還是主要注重完成單一的工序[2]。

原林業部林業機械化研究所在80年代針對大型苗木的特點，從起苗鏟參數、碎土輪旋轉速度和整體穩定性等方面的研發著手，研制了QM-40S型大苗起苗機[3]。陜西省林業機械研究所研發的平作苗圃大苗聯合起苗機，能同時完成起苗、抖土、苗木收集、集中放置等[4]。1985年牡丹江林管局制造的振動式起苗機經試驗后實現批量生產，該起苗機不但結構較為合理且在作業時掘苗質量穩定、工作效率高[5]。1988年6月，由湖南省林業工業研究所研究設計的功率為12馬力的小型帶土起苗機，通過性能試驗證明，與生產實際匹配度高，土球能達到林藝要求的規格需要，起苗率高[6]。原遼寧省林業廳國有林場管理局與北鎮市苗圃，針對當時大型機械數量不足且難以在實際中發揮作用的問題，共同研制了一種螺旋弧形起苗機，針對樹齡在兩年以下的針葉樹苗和闊葉樹苗的起苗，把L型的起苗刀改為了刀體斷面為圓柱形、刀刃為螺旋線形，在起苗深度增加的情況下而牽引阻力有較為明顯的下降[7]。

隨著林果產業市場的不斷擴大，帶動了林業機械的迅速發展，而進城務工人員的增加造成了農村勞動力逐年減少，技術先進的起苗機械在國內應用前景將更加廣闊，更多的研究、制造單位投入到了林業機械的研發中，如北京亞美非科技發展有限公司、國家林業局哈爾濱林業機械研究所等。但是由于國內起苗機的機械化進程受到了農村土地整合進程的限制，以及先進起苗機械研究起步較晚、科技研發投入力度不足的限制，機械與人力混合的作業形式還較多的存在于實際生產中，起苗機在完成起苗作業后，仍需要手工進行苗木撿拾及后續的分級、分類工作，所以從發展現狀來看，國內起苗作業的機械化發展還有很長的一段路要走，隨著林果種植面積、產業規模的不斷擴大，行業市場發展空間很大。

1.2 國外發展趨勢

前蘇聯于1931年研究成功林業專用起苗犁并應用于實際作業，20世紀40年代，林業較為發達的歐美國家研制了類型不同、效果不一、各具特色的起苗機械，于60年代基本實現機械化起苗作業[8]。近年來，隨著科技的飛速發展，更多的新技術、新工藝、新材料被科技工作者應用到了農林業的各個方面，尤其是集多種先進技術于一身、具有多功能的聯合起苗機研制成功并廣泛使用，由此向智能化、高集成化、無人化作業邁出了堅實的一步[9]。聯合起苗機能在一次作業過程中做到起苗、抖土、集中、計數、分級、捆扎和打包等，生產效率高，符合當前的發展方向。

國外的科研機構比我國提前數十年就開始了對起苗機械的研發，在經濟效益和微電子技術迅猛發展的前提下，聯合起苗機以無人化、遙控化為研究目標，朝著自動化、智能化及多功能方向發展，隨著信息技術、衛星定位導航系統等先進技術的廣泛應用，將會使起苗機械的科技含量越來越高。

2 新型簡單振動起苗機概述

根據起苗機作業實施對象及機構組成的不同，起苗機可以分為簡單振動式起苗機、大苗起苗機和聯合起苗機。本文研究的是簡單振動式起苗機，主要作業對象為小型苗木。

簡單振動起苗機通過牽引桿安裝在拖拉機上，其連接方式為牽引式，由工作部分、深度控制部分、傳動部分、抖土部分和機架體等部分構成，如圖1所示。簡單振動起苗機工作時，在拖拉機的拖拽下，工作部分的起苗刀切割土層和樹苗根部，隨后苗木混合泥土到抖土部分上，抖土部分由曲柄、連桿、篦子組成，傳動部分中的傳動軸將動力傳遞到曲柄上，帶動篦子做上下的擺動，土壤松散后與苗根分離，然后由人工完成對脫土后的苗木收集、計數、分級和打捆包裝，起苗深淺的控制主要由限深輪手動調整來完成。

圖1 簡單振動起苗機

從簡單振動起苗機在實際工作時的效果來看，起苗刀的工作狀態和苗根與土壤的分離是起苗時的重要環節。在設計簡單振動起苗機時，對起苗刀和抖土部分進行初步設計，并根據實驗數據進一步優化，才能使起苗機的作業做到優質高產、節能增效。研究減小起苗刀作業時的牽拉阻力以縮小動能損失；在苗根符合種植要求的基礎上，達到苗根與土塊盡量分離充分以提高起苗質量及減小后期的工作量等問題。應從苗木生殖特點、樹苗根莖的物理力學特性、土質特點、根土分離機理及工作狀況等出發，確定出計算模型，通過對數學模型和物理力學模型進行數據計算、分析和處理，并利用相關軟件對簡單振動起苗機做出研究和分析，發現簡單振動起苗機在大部分情況下都可以很好地完成起苗作業情況，當遇到土質較硬、苗木根系較深較大等情況時，就會出現卡頓、架體偏置等現象，很容易對機器本身產生損壞。同時，我們也發現，在起苗機上加一個平衡裝置后，當起苗機遇到上述情況時，就可以輕松地使起苗機擺脫困境，提高作業效率。所以，平衡裝置可作為起苗機改良的一個方向。

國內外科研院所、高校主要還是針對大中型聯合起苗機如何實現自動化、智能化開展研究，在中小型簡單起苗機工作時出現的機架失衡現象的研究較少。目前，由于種植規模、設備購買及使用成本等因素的影響，國內很多散戶仍在使用小型的簡單振動式起苗機，但大部分簡單起苗機的平衡裝置是在非工作部分安裝一個小型偏犁，還有部分機器是安裝的配重塊，從多年的使用效果看，起苗機遇到大根深、硬土質情況時，起苗效果并不好。

3 新型簡單振動起苗機裝置的結構及特點

新型簡單振動起苗機是在原有基礎上安裝了一種平衡裝置，如圖2所示。該平衡裝置包括單軸雙作用振動器、萬向聯軸器、輸出齒輪軸；單軸雙作用振動器安裝在振動起苗機架體平臺上，包括偏振塊、殼體、傳動軸；齒輪軸與振動器由萬向聯軸器連接。

圖2 新型簡單振動起苗機結構圖

新型簡單振動起苗機在拖拉機的作用下，U型斷根刃切割泥土和樹苗根部，U型斷根刃可以確保將苗木的主根及側須根都完全切斷，樹苗與泥土經起苗刀的尾端到抖土裝置上，從而使苗根上的泥土從樹苗根上散落；齒輪箱將動力一端輸出到抖土裝置，另一端通過齒輪軸和萬向聯軸器，將動力輸出到平衡裝置上，帶動一對偏振塊振動。平衡裝置的安裝位置如圖2所示，其在簡單振動起苗機作業時的作用有兩個，當U型斷根刃在切入泥土層切削作業時，受到了苗土底部沿刀刃表面滑移產生的阻力、刀刃切削樹苗根與土層時產生的阻力以及樹苗和泥土向下的重力，架體容易出現向U型斷根刃方向的偏牽引現象。改進前，當出現此現象時，作業停止，苗農站在架體另一端上下晃動，或使用撬棍等工具將深陷土壤中的斷根刃脫離土壤，這樣做不僅使起苗機作業效率低，使用者勞動強度大，而且危險性較高。改進后，我們有效地解決了這個問題。首先，平衡裝置作為一個配重塊，對整個簡單振動起苗機起到平衡的作用，可有效地減少或避免架體的偏置現象；其次，即使架體產生一定的偏牽引現象，平衡裝置中有一對偏振塊，會帶動架體產生一定上下振動的振幅，該振幅也可有效地避免起苗機產生嚴重的偏牽引現象。

與簡單起苗機相比，增加平衡裝置可以達到如下效果：當起苗機遇到土質較硬、苗木根系較深較大等情況時，振動器除了起到配重的平衡作用外，還可以用其產生的振幅避免斷根刃深入土壤，引起架體、牽引桿變形等情況的發生。

4 結束語

目前，簡單起苗機的平衡裝置改良已經完成了初步的設計工作和樣機的制作，并且進行了樣機實驗，取得了一定的效果，達到了設計目的。本文主要研究的是簡單振動式起苗機在作業時，如何避免或減少機體的偏牽引現象，通過在架體上增加一個平衡裝置來解決這個問題。但是，平衡裝置在工作過程中可能也會存在弊端，后續作者也會持續研究和做好本裝置。同時，U型斷根刃是簡單振動式起苗機的關鍵部件之一，在確保刀體不變形及順利起苗的基礎上，本著減輕刀體分量、節約材料、降低作業阻力的目的，對刀體結構進行改良，提高起苗效率，節省起苗機使用成本，也將是我們對簡單振動式起苗機進行改良的一個方向，相信在農林業工程機械領域會有非常廣闊的應用前景。